高校学生公寓安全用电智能控制与管理系统的构架研究

高校学生公寓安全用电智能控制与管理系统的构架研究

安科瑞 陈玉茹

技术支持：安科瑞 彭峰

摘要

为消除高校学生因违章使用大功率电器，导致宿舍用电线路过载，从而引发火灾的隐患，文章将安全用电与用电管理统一考虑，设计高校学生公寓预付费电控系统。对该系统的工作原理和功能进行了详细介绍，并分析了实施该系统的主要优势。结果表明，该系统对提高后勤部门管理效率，保障高校公寓的用电安全，降低学校的运营成本具有显著的作用。

关键词:学生公寓；预付费电控系统；恶性负载识别；安全用电

引言

随着社会经济的发展，物质生活水平不断提高，高校学生公寓的住宿条件也逐步提高。公寓内的配置由过去满足基本生活需求的设备，到如今拥有电热水器、空调、电脑等较为现代的用电设备。

另外，由于信息时代的到来，学生需要从电视、网络中学习知识，了解信息动态，查找资料，这些需求导致学生公寓的供电方式也随之发生改变，全天供电成为了学生日常生活的基本要求。以往对学生公寓的用电管理主要是采取限电流、定时间断送电的用电管理模式，这显然已经无法满足大学生学习的需求。对高校公寓供电需求的调研结果表明，约90％的学生对宿舍定时供电持不满意态度，对全天供电满意率则为100％。值得注意的是，由于大量使用电器，尤其是一些大功率不安全的电器，如烧开水用的电炉、“热得快”等产品的违规使用，给学生公寓带来了很大的安全隐患，对学生人生安全和财产安全造成了很大的威胁，若不加以限制，一旦发生电气火灾等重大事故，将带来无法挽回的严重后果。

因此，对于学生公寓的用电管理，不能局限于一些传统的用电管理方式上，需要充分考虑学生公寓用电的实际情况，采取更为科学而完善的技术手段，制定一种适合学生公寓用电特征的智能化用电管理方案。通过对学生公寓内用电监控进行更深入的研究，将安全用电和用电管理统一考虑，建立有效的宿舍预付费电控系统，既保障公寓用电安全，又降低公寓能耗，同时提高学校后勤部门的管理工作效率。

基于这一认识，研究设计并实施了一个适合于高校学生公寓预付费电控系统。

高校学生公寓用电管理现状

本研究以广东地区某高校学生公寓为对象，对该公寓的用电情况和用电管理进行了深入调查，并进行了实地考察走访，发现该学校目前使用的电表均为机械表，计量效果不理想，在管理方式上也存在一些问题，主要体现在以下3个方面。

（1）电表老化

该学生公寓采用老式机械计量电表，并已持续使用多年，超出了保质期，计量精度和安全都无法．不仅给学校带来经济损失，而且产生电气安全事故隐患。 

（2）管理功能单一

学生公寓用电管理基本上采用定时管理，入房检查方式。这不仅无法满足当今用电管理需求，而且难于管理违规用电。不能限制由于违规使用电热器、电饭锅、大功率电器导致的超负荷，易引发宿舍电气火灾。

（3）管理效率低下

主要依靠人工抄表方式统计耗电量，不能实时发现异常用电，消除隐患；在数据异常时，无法提供依据，导致争议。

经过调查，以上现象是大多数高校学生公寓普遍存在的现象，也是困扰高校后勤管理部门的主要问题。

因此，对高校学生公寓采用有效的智能化用电管理措施，消除违规用电带来的安全隐患，提升后勤管理部门管理效益，通过技术管理措施降低学生公寓能耗是急需解决的问题。

安全用电智能控制管理系统设计

根据上述分析，本研究设计了一种针对高校学生公寓的安全用电智能控制管理系统，以期能够解决目前存在的问题。

2.1系统结构

本系统由以下几部分构成：计量采集系统（计量设备），数据传输系统（通信设备），管理平台（数据处理、用户服务与管理）。该系统具备智能用电管理功能，可实时监测学生公寓用电信息，并通过管理平台的数据分析功能，为学校管理部门提供依据，进而解决用电过程中存在的问题。通过科学化、智能化的用电管理，实现安全用电、便捷管理、有效稳定运行的目的。该系统结构见下图。

计量采集系统实现数据采集和电能计量功能，并提供异常保护和预付费功能，实现用电计量、预付费、安全用电管理的基本功能。计量采集系统分户设置，具备通信接口，可方便组构管理网络。

数据传输系统实现数据传输功能，采用以太网数据采集器将电表与系统管理平台服务器连通。每台采集器具备立的IP地址。传输网利用校园通信网络以节省成本，从学校提供的网络端口引到交换机。

管理平台实现数据处理与数据服务功能，提供预付费管理（包含充值、退电、财务统计等），用电分析，用电实时监控（包含电流、电压、功率、剩余金额等），用电管理（ 包含定时通断电、违规电器管理、负荷限制等），用户自助查询等。管理平台包括了3个子系统，即网络预付费管理系统、校园能耗监控系统、用电信息查询系统。用户服务系统主要是存储万整方套数系据统的数据信息，提供系统的人机界面，提供用户查询管理平台等．其他的管理端也可以直接连接到服务器进行系统管理；另外该系统还有配套设备，主要用于预付费管理系统的功能扩展及补充，配套设备包括售电及查询终端、短信cat、ＬＥＤ 显示屏、自助充值终端等多种。管理系统主要是连接学校相关职能部门，把系统的重要信息反馈到各主要职能部门，实现人员的有效管理。安全用电管理系统实施案例的系统结构见下图。

2.2系统功能

该系统具有以下功能：

（1）用电远程计量，提升效率采用单相网络预付费智能电能表进行用电计量。低功耗、命、精度高、功能全、安全可靠。能耗数据自动上传，自动抄表。

（2）用电总功率限制，绿色用电本功能主要用于学生宿舍的用电总功率限制，用电安全可设置 1d内不同时间段允许的总功率不同（多6个时间段）。超功率后可设置报警提醒用户或者直接断电。这样，一方面可限制主用电时段学生的总用电功率。另一方面可实现夜间小电流运行模式，即夜间允许学生使用充电器、小台灯等低功率电器，而不允许使用电视机、电脑等大功率电器，从而在保障学生夜间正常休息的前提下，做到人性化的管理。

（3）恶性负载限制，保障安全本功能主要用于学生宿舍违章电器的管理，有效地避免了发热电器及大功率电器引发的安全事故。当学生宿舍使用电炉、热得快、电烫斗等违规大功率电器时，系统将自动识别为恶性负载，自动切断电源或报警。如果自动切断供电，过一段时间（可设置）后可自动恢复，如果1d内多处违章用电跳闸，则跳闸后只能由管理员再手动恢复。

（4）实时监控，智能管理在设定的时段内电表主动跳闸断电，实现定时开关电功能．通过设置相关参数可灵活地设定定时开关电方案。本功能主要用于学生宿舍、公共用电（包括路灯、教室灯、景观用电等）的定时控制。1d可设置6组定时开关电时间。不管电表在何种状态下，均可通过管理软件远程对电表进行通断电。实时查看系统下面所有表计的当前用电状态，包括剩余金额、总用电量、电流、电压、功率、功率因数等参数。查看的数据为实时数据，根据用电状态自动更新。并对电表进行实时通电、断电操作。

（5）违章记录，提升管理质量用电检修、线路不安全用电等引起的电表进线端断电，电表会自动记录并告之服务器。学生使用热得快等违章电器时，电表会自动断电并记录，同时告之服务器。管理员可轻松地通过软件系统对上述断电及违章事件进行整体掌握。

（6）灵活用电管理在管理平台上配置好参数后，系统可自动记录和显示房间电表的总用电量、剩余金额、电流、电压、违规用电记录等信息。作为用电分析、结算、违章用电处理的数据源。同时，可根据管理规定定期向用户自动赠送免费的用电额度。可以设置每房每月赠送多少，或者每人每月赠送多少。不同类型的用户赠送额度可不一样（如本科生与研究生赠送额度不同、教师与学生赠送额度不同）。可按月、按季度、按学期赠送。１a内哪些月份需要赠送是可设的。对于没有使用完的补助电，既可选择清零，也可累加。

（7）多客户端分权设计本系统可设置多个管理端，各管理端通过内部网络连接到服务器，同时进行数据共享。各个管理员可立进行售电、退电、用电分析、基础信息维护等操作，用户可进行用电信息查询。可设置多个管理员级别，不同级别具有不同的管理权限。管理员可进行下属所有的管理。同别可设置多个管理员。

（8）阶梯电价，分时电价电表带阶梯电价、分时电价功能。可按给定的梯度执行阶梯电价，也可按照给定的时段及电价执行分时电价。梯度、分时时段、电价可设。本功能可选是否启用。

（9）安全的数据存储电表数据，在电表断电、表内电表没电的状态下，可保存10a 以上。电表突然停电等，不会影响数据的存储，数据不丢失，且数据容量大、可靠性高、安全性强。所有数据采用单的安全加密机制存储。

（10）支持绿色校园管理该系统电表符合国家电网相关标准，通讯协议采用标准DL/T645 -2007协议。能为学校后续的节能监管平台提供基础源数据，实现系统无缝对接。

（11）网络预付费预付费，先充值后用电，欠费后自动跳闸断电，充值后立即将充值信息下传到电表，电表自动合闸送电。对于不需要预付费的用户，可设置为后付费工作模式。远程充值，电表采用无卡式设计，通过485和校园网与服务器连通，用户充值后，系统自动充值。不需要接触电表实体，避免安全事故并延长电表使用寿命。

安全用电控制

针对公寓安全用电的隐患，本系统对违规用电提供了针对性制约控制功能，具备恶性负载控制、恶性负载失败控制、分时段功率限制等措施，可有效制约违规用电，降低安全风险。

3.1恶性负载控制

恶性负载又称阻性负载，主要是指纯阻性的直热式电器（电烙铁、烧水棒、电炉、电饭煲、电炒锅、电热杯、电吹风、发夹板等），由于其容易引发火灾，因此在各大院校明令禁止使用．学生公寓用电智能管理系统在0-24时之间，全时段对电路中的恶性负载进行实时监控，一旦有恶性负载接入，通过对主继电器进行操作，及时进行断电。当恶性负载接入时，电表总负荷上升到一定高度持续运行，同时，由于恶性负载的功率因数接近1，电路总负载的功率因数增加，因此，可认定功率因数某一值，并且启动后功率维持在高位的电器为恶性负载。通过本安全用电控制系统，可以对接入的恶性负载进行识别控制。

3.2恶性负载识别控制

恶性负载识别控制主要包括开关值、受控功率区间值、功率因数阈值、恢复供电间隔时间和每日恢复供电限制次数。当开关值处于“报警”时，启用恶性负载识别限制功能，并在恶性负载使用时报警；当开关值处于“跳闸”时，启用恶性负载识别限制功能，并在恶性负载使用时跳闸；当开关值处于“关”时，不启用恶性负载识别限制功能。恶性负载的功率区间可

从30W起到电表额定负荷，可以设6个区间，当设定功率区间内的阻性负载投入使用时，电表将跳闸停止供电。为正常使用的负载，如饮水机、电热水器等，可以在设定受控区间时加以区分，从而不受负载识别限制［9-10］。恶性负载的功率因数设为0-997，当功率因数大于等于此值的受控功率区间的电器投入使用时，电表自动跳闸，考虑具体用电环境，可在跳闸后自动恢复供电，断电时间间隔以秒为单位，设定恶性负载跳闸后每日自动恢复供电的次数（3-5次），这由管理计算机锁定并将标志下传到电表内，当自动恢复供电次数超过设定次数时，不再自动恢复供电，需要用户到管理部门说明原因后，通过管理平台重新恢复供电。

3.3分时段功率限制

该系统允许用户的个性化，在0-24时之间，将时间分为1-6个时间段，并分别对各个时间段进行总功率限制。当开关值处于“报警”时，启用分时段功率限制功能，并在分时段功率限制使用时报警；当开关值处于“跳闸”时，启用分时段功率限制功能，并在分时段功率限制使用时跳闸；当开关值处于“开”时，启用分时段功率限制功能；当开关值处于“关”时，不启用功率限制功能．分时段表的时间段可设6个，每个时间段的起始时间、终止时间可在上位机上设定，并下传存储于电表内，由电表根据设定时间自动执行．若设置2个时段，则时段1的后一个值需小于时段2的个值，以此类推；功率阈值6个，对应6个时段，不同时间段的阈值可能相同，也可能不同；超负荷跳电后自动恢复供电的时间间隔，以秒为单位，大值为9999。超负荷跳电后每日自动恢复供电的次数（3-10次）（每日，二天清零或累计，通过系统处理），由上位机设定并下传存储于电表内，当自动恢复供电次数超过设定次数时，不再自动恢复供电，只能通过上位机远程控制进行开电，远程开电后或跨0：00时自动清空电表内的跳电记录，上位机内的跳电记录保存1-6个月，且可清除。

安全用电管理系统优势

与传统的学生宿舍供电系统相比，该系统具有以下主要优势：

（1）用电安全

引进校园智能用电管理系统，提升了高校学生公寓用电管理效率和用电安全．尽管有详细的用电安全守则，但仅靠制度仍然难以避免超负荷用电、使用大功率高热电器（电热棒、电磁炉、电暖器等）、线路私拉乱拉等现象。同时线路短路、漏电、电压过高等不安全隐患也无法预先消除。使用智能管理系统后，可有效解决上述问题。该系统具有用电安全保护措施，能迅速发现不安全用电因素，及时主动上报管理员，并自动作出预定的制止措施，消除因学生乱用电器等行为引发的火灾隐患，减少学校损失。

（2）降低能耗

智能控制管理系统能分析用电，减少浪费，节约用电，降低能耗。目前高校管理部门对用电状况的了解程度不够细致，不了解能耗构成，导致浪费严重却找不到源头，采用智能管理系统后，可实时显示用户的用电量，自动分析用电明细，如果发现用电超标、故障等现象，可以在平台上报警，通知管理人员采取措施，杜绝不合理用电，有效降低能耗。超标、故障信息自动建立文档，供管理部门进一步分析原因，采取对策。

（3）智能管理

该系统提供电脑终端远程自动抄表、远程充值、电脑自动换算电费电量等功能，不需要人工管理抄表，避免了由于系统问题与人员错误操作，减少了收费管理日常用电管理等工作量；同时该系统可直接与学校财务管理系统对接，提供安全便捷的数据输出，有效提升后勤用电管理部门的工作效率，该系统实施后，受到学校后勤管理部门一致好评，管理人员处理故障强度下降，效率提升。

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